关键词: 应力
套管应力(精选四篇)
套管应力 篇1
本文围绕水驱对地应力场的影响机制和注入压力的界限研究,开展如下工作:选取油田南二区西块的典型井组,布井方式选用四点井网面积法,采取理想的地质模型,基于有效应力原理[1],分析注水条件下的地层压力和有效应力场的动态演化特征,注水条件下的地层变形和套管应力分布特征,揭示注水条件对地层压力和有效应力场的影响规律,注水条件对地层变形和套管应力的影响规律。
油田开发是渗流和应力场流-固耦合[2]的过程,注水引起渗流作用,渗流使岩体发生形变通过有效应力来反映,导致岩层骨架应力和岩石物性参数发生改变,地应力场发生应力重分布,套管周围应力集中;相反,有效应力场的改变能使岩土介质的孔隙体积造成影响,以上改变会引起孔隙流体渗流和压力分布发生改变,这一过程是套管发生损坏的主要原因。
2有效应力原理
根据Biot有效应力原理,岩土体的有效应力和孔隙水压力一起构成岩土体的总应力。岩土体介质骨架和孔隙水共同承担作用在饱和岩土体的外力,各向同性岩体的孔隙压力只改变介质的体积而不改变其形状,即岩土体介质剪应力与孔隙压力无关,任何方向岩体的孔隙压力对介质正应力的影响相同,有:
式中:α是Biot常数,δij是Kroneker符号,p是岩土体孔隙水压力,δij是岩土体总应力,σ'ij是岩土体有效应力。
用有效应力与孔隙压力表示的平衡方程:
用位移表示的平衡方程:
式中:p是流体孔隙压力,εv是体积变形,λ和G是拉梅常数。
3流-固耦合的数值模拟
3.1布井方式
七点法面积注水:一口注水井周围配置六口生产井,生产井呈正六边形井网,注水井分布于正六边形中心;四点法面积注水[3]:一口注水井周围配置三口生产井,呈如正三角形分布,注水井在等边三角形的中心,而油井又在该注水井组形成的正六边形的中心,是七点法面积注水的特殊情况;直线型排状注水:注水井与生产井相互分错,但呈长方形的正对式分布。
3.2计算模型的建立
选定南二区西部区块,采用四点法面积注采井组,利用数值模拟的方法,研究简单地层条件下的水驱对地应力场的影响机制和对注入压力界限方法研究。水驱模型尺寸为100m×100m×80m,位于地下800m深,分3层,上下是泥岩盖层。其中,顶层是上覆盖层,其厚度为30m,底层为40m,中间层是砂岩层,砂岩厚度为10m。
模型四周为水平位移约束,底面为三个方向的位移约束。
3.3模拟结果与分析
(1)水驱条件下的地层压力和有效应力分布
取注水压力为10MPa:
从图3~5知,注水和采油井间产生压力梯度,井附近压力梯度大,等势线较密,影响半径达50m。
从图6~8知,最大主应力分布不均,高压区沿注水井贯通成环,最大地层竖向应力[4]达1.5MPa。
从图9~11知,地层内剪切应力分不均匀,沿注水和采油井反对称分布,地层有相互错动的趋势。
(2)水驱条件下的地层变形和套管应力
从图12~14知,水驱后地层发生水平位移[5],沿注水和采油井呈周期性分布,最大位移达0.14mm。
从图15~17知,水驱后地层整体出现凹陷,注水井处竖向位移达到最大,最大位移达9mm。
从图18知,注水开发时间增加,节点孔隙压力逐渐增加且趋近于注入压力。
图19知,注水开发时间增加,套管轴向应力[6]转为拉应力,且拉应力迅速增大,注水压力越大,套管轴向拉应力也越大,套管轴向拉应力增加,最大达300-400MPa。
4结论
(1)取某油田南二区西块的典型井组,采用四点面积法布井方式,基于有效应力原理,研究水驱条件下的地层压力场和有效应力场,以及地层变形和套管应力,揭示水驱对地应力场的影响机制和注入压力界限研究,为预防套损提供指导。
(2)水驱方式下,孔隙压力在注水采油井间出现压力梯度,近井压力梯度大,等势线密集;地层主应力分布不均,高压区沿注水井贯通成环,最大竖向应力在注水井处;地层剪切应力分布不均,沿注水采油井反对称分布,地层有相互错动趋势;水驱后地层发生水平位移,沿注水采油井周期性分布;水驱使地层出现整体凹陷,注水井处竖向位移最大;注水时间增加,孔隙压力增加并趋近注入压力;注水时间增加,套管轴向应力转成拉应力且迅速增大,注水压力越大,套管轴向拉应力也越大。
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套管应力 篇2
某临海基坑紧临海岸线, 基坑与海岸线最近4~6m, 基坑支护桩及止水帷幕施工完成后放置时间超过2年以上 (局部止水帷幕在长期的海水冲刷下已经破损失效) ;海平面水位与基坑开挖底标高落差大, 基坑开挖深度约-18.60m, 正常海平面水位约-6~-8m, 最高水位时与周边道路基本持平, 约-2.0m, 基坑底与海平面之间高差大 (最大高差约16.60m) , 海水对基坑内产生的压力大;基坑周边地层中分布有较厚的透水性强的砂层, 其中第一道锚索标高处粗砂层平均厚度在2.0m左右。
因此, 当预应力锚索施工到6m时 (设计锚索长度24m) , 出现较大规模的涌水和涌砂现象, 基坑周边的道路出现坍塌。
二、施工技术难点
三、施工方法
(一) 钢筋混凝土挂板施工
贴围护桩内壁做300mm厚C30砼挡水板, 在锚索开孔处设置暗梁, 取代原设计的腰梁 (原腰梁截面尺寸为500×600mm) 。 (1) 植筋:将φ20钢筋植入桩内, 锚固长度不小于450mm, 竖向间距@400mm, 水平间距@700~800mm; (2) 钢筋施工:竖向设置两层钢筋网, 水平筋φ18@100, 竖向筋φ22@150, 拉筋水平及竖向均为φ6@500mm; (3) 腰梁做成30cm宽的扁梁, 腰梁上埋200mm PVC管预留孔洞, 以便后期锚索成孔施工。腰梁内预埋三棱柱形泡沫塑料, 方便锚索张拉时锚具持力面打凿; (4) 封模、浇筑。
(二) 钢套筒成孔
钻机就位前, 将土方挖至锚索孔口下800~1000mm, 并进行场地平整, 整理锚索钻机施工工作平台。在钻机周边开挖临时集水坑 (约为1m×1m×1m) , 使水在锚索成孔及清孔过程中循环利用。
采用套筒钻机进行成孔, 套筒直径150mm, 对预应力锚索孔位抽芯开孔。中部遇到孤石层段面, 在套管中采用气锤成孔。成孔过程中如果出现有大量的水和泥沙涌出将套管堵住无法继续钻孔时, 将套管拔出, 在孔内堵上海绵, 然后在孔口安装止水胶垫和止水钢板, 插入注浆管, 进行封口, 封口结束后注浆, 过2~3天等水泥有一定强度后再在原位重新开孔。
(三) 注浆
1. 锚索与五环止水袋绑扎固定
锚头经φ48的钢管切割, 剩余部分折叠合拢成锥型尖, 4条钢绞线均匀焊接在钢管四周。自由段部先用黄油涂抹, 然后再装自由段波纹管。
五环止水袋用阻水性较好的白色土工布自制的中间大、两端小的类圆柱形两层结构的布袋。其中内层结构为两端开口的圆柱体, 其直径为150mm, 满足预应力锚索从中间穿过;外层结构为中间大、两端小的类圆柱形, 端部直径400mm, 中间直径800mm, 并在两端部各设有三个直径为100mm的开口, 为注浆管穿出部位, 用铁丝将锚索孔口和注浆管孔口绑扎牢固, 五环止水袋位于锚索最外端, 五环止水袋制作及锚索与五环止水袋连接。
2. 卸套筒及旋浆
锚索安装到位后开始卸套管, 每卸一段 (2m) 套管进行一次旋浆, 旋浆量根据孔径和卸下套管的长度确定。旋浆过程中如果涌水量较大, 会将水泥浆体冲出, 起不到旋浆效果, 将不进行旋浆, 直接将套管全部拔出, 进行下步操作。
3. 三点注浆及止水
(1) 锚索孔底注浆:当套管完全拔出后即刻进行孔底注浆, 当孔口出现水浆净浆时, 说明孔内已经注满浆体, 即可停止孔底注浆。
(2) 安装海绵、PVC止水胶垫、止水钢板:孔底注浆结束后, 在孔口内塞入海绵进行初步止水, 然后钢绞线和三根注浆管依次穿过PVC止水胶垫、止水钢板的相应孔口, 将止水钢板用螺栓固定。
(3) 锚索孔口注浆:孔底注浆完成后, 采用PVC板和钢板对孔口进行封堵, 进行孔口注浆, 当孔口涌水和水泥浆明显减小, 变为小股渗漏时, 说明孔口已经封严, 可停止孔口注浆。
(4) 锚索孔中部补浆:孔口注浆完成后静置2~3小时, 当孔口原水和水泥浆的混浊状混合物变为清水时, 开始孔中部补浆, 浆体从中部向两端扩散, 使整体孔通道内浆体充盈密实, 当孔口再次出现水和水泥混浊混合物时, 停止孔中部补浆。注浆结束后12小时卸掉止水胶垫及止水钢板。
四、结论
套管应力 篇3
岳131井是由勘探事业部在安岳地区部署的一口评价井, 为安岳地区储量计算提供依据。该井井身结构:该井井深结构数据如表1所示.
2 本次固井目的和方法
2.1 固井目的
封固三开井段0~2803m, 为下步开发油气藏提供条件。
2.2 固井方法
(1) 下177.8mm油层套管, 封固井段0~2803m。
(2) 采用柔性水泥浆体系, 配方及添加剂由井下提供。
(3) 为解决水泥试验中的污染问题, 由钻井队准备30m3低粘切、抗污染泥浆, 做为前隔离液和后隔离液使用。
3 注水泥设计
3.1 油气层固井对水泥浆性能的要求
3.1.1 水泥浆自由水及稳定性的要求
在大斜度井水泥浆注入井内后, 由于重力作用, 难以保持原有的稳定性, 水泥颗粒易在套管下侧聚集沉淀, 水泥浆性能受到破坏, 自由水析出, 易在套管上侧形成自由水通道, 很容易形成油气水通道, 层间封隔失败, 影响固井质量。因此全面提高水泥浆性能, 特别是降低水泥浆自由水是提高油层固井的关键。
3.1.2 水泥浆流变性能要求
在常规注水泥过程中, 通常要求降低水泥浆的胶凝强度、屈服值来改善水泥浆流变性能, 降低水泥浆紊流顶替排量, 以获得更高的水泥浆顶替效率。
3.1.3 水泥浆是失水要求
水泥浆对有油气层的污染主要是水泥浆向油气层失水引起的。水泥浆的失水量与水泥浆自由水及稳定性有密切关系, 一般而言, 水泥浆失水越小, 其自由水析出量也越少, 水泥浆越稳定。因此要求水泥浆API失水小于50ml。
3.1.4 稠化时间的要求
水泥浆自由水析出是造成油层固井质量差的主要原因之一, 因此在进行水泥浆设计时, 在保证注水泥施工安全的前提下, 应减少水泥浆稠化时间, 实现“直角”稠化。
3.1.5 自应力水泥浆体系性能
自应力水泥浆配方其中加入柔性防串剂SD77, 加筋纤维材料SD66, 水泥浆各项性能达到要求, 水泥浆流动度在18-21cm之间, 浆体稳定 (零析水) , API失水量小于40m l, 稠化时间可调, 水泥石具有优良的力学性能:抗压强度48h大于14MPa, 受限膨胀率约0.04%, 弹性模量较纯水泥石降低25~30%, 抗冲击功提高30%以上, 抗拉强度提高50%。根据理论模型预评, 可以再套管试压值60~70MPa情况下不会出现水泥石破裂或产生微间隙, 具有较强的后期防窜能力。
3.2 隔离液配方及用量
为解决水泥试验中的污染问题, 由钻井队准备30m3低粘切、抗污染泥浆, 做为前隔离液和后隔离液使用, 隔离液配方:CMC:2‰~3‰, 生物聚合物:1‰~2‰。
4 现场施工难点及主要技术措施
4.1 固井难点
(1) 本井裸眼段长, 安岳地区地层易垮塌, 造成环空堵塞而引起憋泵;
(2) 裸眼段长, 井斜较大, 摩阻较大, 套管顺利下入到设计井深不容易, 且套管下入长, 居中不易, 固井质量难以保障;
(3) 环空间隙较小, 影响顶替效率, 固井质量难以保障。
4.2 固井主要技术措施
(1) 本井采用柔性水泥浆配方, 使其具有增粘、早强、低失水、低析水、低渗透率、沉降稳定好的特点。水泥浆多返8-10m3, 以增加水泥浆在环空的接触顶替时间, 提高固井质量。
(2) 固井前, 钻井液必须有良好的性能, 既能保证井眼的稳定, 又能达到较好的顶替效果。
(3) 固井设备必须要提前作好设备性能检查, 采用一台70-30型水泥车自抽, 一台性能优良的水泥车备用。
(4) 保证套管居中度大于66.7%, 应严格按设计下入扶正器。
5 实际施工步骤
(1) 固井施工前充分循环, 带出井底沉沙;
(2) 注水泥前泵注15~20m3隔离液, 保证水泥浆与井浆充分隔开;
(3) 由水泥车注前置液8m3, 并且配5m3领浆, 密度1.80g/cm3完全避免水泥浆与井浆直接接触而造成污染问题;
(4) 由一台70-30型泥车自配自抽, 70-30型水泥车高能混浆系统能够完全保证水泥浆密度严格达到固井施工要求;
(5) 碰压完成后, 采用环空憋回压6M P a, 补偿水泥浆在候凝过程中的压力损耗, 保证固井质量。
6 总结
(1) 本井固井施工的圆满成功是自应力固井技术在现场的一次成功的应用, 成功提高了固井质量的同时, 给油层固井技术带来了新的思考, 在采用自应力固井技术的油气井解决了由于气窜而造成固井质量不合格而影响下步增产措施。本井固井质量根据电测情况, 固井优质率达93.5%, 固井质量见表2。
(2) 优选水环空液柱体系是固井成败的关键环节。隔离液+前置液+领浆的应用实践结果表明, 具有较强的冲洗携带效果和优良的水泥浆性能, 有效的解决了水泥浆与井浆的污染问题, 有效的提高了施工安全和封固质量。
(3) 遂宁作业部固井2队在安岳片区固井施工形成了一套较为成熟的施工工艺, 并积极采用预应力固井技术, 在条件允许的情况下有意识的增大套管内外压差, 并且在管外憋回压的方法都有效地提高了固井质量。
(4) 对于大斜度井、水平井油层固井工艺方面我们还需要更进一步研究, 从技术上跟上油田上产的需求, 不断提高自身的能力才能有更强的竞争力。
摘要:提高油层固井质量而采用自应力固井技术, 以适应油田进一步勘探开发的要求是钻井工程研究的一项重要研究方向。分析了油层固井的难点, 进而从水泥浆体系、井眼的准备等方面进行研究并提出保证固井质量的技术措施, 现场实践取得显著效果, 形成了系统、成熟的固井工艺, 对未来油层固井的技术发展方向具有重要的指导作用。
关键词:自应力,固井工艺,柔性水泥浆体系,隔离液
参考文献
[1]赵英泽, 罗宇维.双作用防气窜井水泥浆体系的研究与应用.石油钻采工艺, 2007.6[1]赵英泽, 罗宇维.双作用防气窜井水泥浆体系的研究与应用.石油钻采工艺, 2007.6
套管应力 篇4
关于储层压实引起的套管损坏问题已经很多, 也取得了一定成果[2—4]。F.V.da Silva等[5]指出, 储层压力下降导致套管柱上出现高的轴向压应力和应变, 这不仅发生在衰竭的储层内, 衰竭的储层上下地层4.6 m范围内也是如此;但没有考虑地层倾角的影响。刘积松等[6]指出, 在倾斜地层, 套管所处地层的倾角越大, 套管所承受的载荷也越大, 变形量也越大;但没有考虑储层压力下降的影响。艾池[7]假设泥岩层与油层的接触面无厚度, 可传递切向力与法向力, 建立了套损流固耦合计算力学模型, 研究了套损对地层倾角的敏感性, 但没有考虑储层压力下降的影响。邹灵战等[8]指出, 在高倾斜的盐岩和砂岩地层的交界部位, 套管受到了盐层的蠕动应力和砂岩的原始地应力的作用, 承受更大程度的非均匀载荷, 也没有考虑储层压力下降的影响。
本文综合考虑储层压力下降和地层倾角的影响, 采用FLAC3D有限差分软件建立了上部盐岩、下部储层的套管-水泥环-倾斜地层三维模型, 研究了高倾斜地层储层压力下降对储层及上部盐层套管等效应力的影响, 并将该方法应用于中国西部某油田db204井盐下储层压力衰竭分析, 完善了盐层套管设计理论, 为盐层井筒完整性提供了有力的保障。
1 力学模型
1.1 套管等效应力
在非均匀地应力条件下, 地层受水平最大地应力、水平最小地应力、垂向地应力的作用, 在构造应力场强的深部地层, 通常水平最大地应力为最大地应力, 垂向地应力为中间应力。根据Mises强度准则, 三轴应力状态下, 套管上某点的等效应力满足
式 (1) 中:σ1, σ2, σ3分别为套管上的三个主应力;σe为三轴应力状态下套管的等效应力。
当等效应力满足式 (2) 则认为套管发生屈服[9,10]
式 (2) 中:σy为套管的屈服强度。
在非均匀载荷作用下, 套管首先达到屈服强度的位置是水平最小地应力σh方向的套管内壁。
1.2 三维有限差分模型
采用FLAC3D有限差分软件建立了上部盐岩、下部储层的套管-水泥环-倾斜地层三维模型, 研究了由于储层压力下降导致的地层压实对储层及上部盐层套管等效应力的影响, 所取计算模型长、宽、高分别为20 m×20 m×20 m, 如图1所示。建模时取地层倾斜方向与水平最大地应力方位一致。
模拟时, 上部盐层设为不透水材料, 除储层高度之外的模型侧面以及顶底面边界, 其他边界均设为不透水边界。储层底部进行位移约束, 四个侧面施加应力边界, 模型顶部受上覆岩层压力产生的垂向应力。套管内部受气体均布压力。采用0厚度的接触单元模拟盐层与储层之间的接触面。
模拟时采用钢级为TP140的套管, 套管外径97/8!, 壁厚12.65 mm。盐岩弹性模量8GPa, 泊松比0.28;储层砂岩弹性模量50 GPa, 泊松比0.23;水泥环的弹性模量、泊松比分别为35 GPa、0.23;套管的弹性模量、泊松比分别为210 GPa、0.23。
2 地层倾角、储层压力下降对套管等效应力的影响
假设储层压力下降5%、10%、20%、30%、50%, 研究了地层倾角分别为5°、10°、20°、25°时, 不同倾角地层储层压力下降对储层及上部盐层套管等效应力的影响。
图2和图3是地层倾角分别为5°、10°、20°、25°时, 不同储层压力储层压力下降幅度下套管等效应力随深度的变化曲线。
从图2和图3可以看出:由于分界面处岩性变化, 导致界面附近套管等效应力变化剧烈, 分界面以上 (含盐层) 套管等效应力大于分界面以下 (含储层) 套管等效应力;随着开采的进行, 储层压力下降幅度增加, 上部盐层和下部储层中套管等效应力均增加。
图4是不同地层倾角、储层压力下降幅度下, 储层与盐层界面处套管等效应力变化情况。
图4不同地层倾角、储层压力下降幅度下, 储层与盐层界面处套管等效应力变化曲线Fig.4 Equivalent stress on casing under different reservoir pressures and strata dips
从图4可以看出:储层压力下降幅度一定, 套管等效应力随地层倾角的增加而增加;地层倾角一定, 随着储层压力下降幅度增加, 当下降幅度低于20%时, 套管等效应力增加缓慢, 超过20%, 套管等效应力增加剧烈。
3 现场应用
db204井于2010年5月6日22:30使用直径660.4 mm钎头+TS330空气锤第一次开钻。2011年8月10日外径139.70 mm油层套管下入井段5 578.25~6 168.93 m。套管钢级TP140V, 壁厚12.09 mm。根据下入的NGSB8234B永久式压力计记录的实测压力, 得知地层压力从初始地层压力106.12 MPa下降到94.93 MPa, 压力降落为11.19MPa (压力降低10.54%) 。根据该井钻井设计, 得知所模拟层段地层倾角为9°, 地应力方位与地层走向一致。模拟了储层压力变化对地层位移和套管等效应力的影响, 如图5所示。
从图5可以看出:盐层中套管等效应力大于储层中套管等效应力, 盐层与储层交界面处套管等效应力急剧变化, 盐层界面处套管等效应力远大于储层界面处套管等效应力;目前的生产制度导致的储层压力变化, 不影响套管的安全性, 套管最大等效应力 (391.81 MPa) 小于套管屈服强度 (965 MPa) 。
4 结论
(1) 由于分界面处岩性变化, 导致界面附近套管等效应力变化剧烈, 分界面以上 (含盐层) 套管等效应力大于分界面以下 (含储层) 套管等效应力;
(2) 随着开采的进行, 储层压力下降幅度增加, 上部盐层和下部储层中套管等效应力均增加;
(3) 地层倾角一定, 随着储层压力下降幅度增加, 当下降幅度低于20%时, 套管等效应力增加缓慢, 超过20%, 套管等效应力增加剧烈;
(4) 储层压力下降引起的地层压实会导致上部盐层变形, 再加上地层倾斜的影响, 进一步加剧了盐层套管的损坏。
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